DE102014015813A1

DE102014015813A1 - Q-Switch-Laservorrichtung

Info

Publication number: DE102014015813A1
Application number: DE201410015813
Authority: DE
Inventors: c/o INTER-UNIVERSITY RESEARCH Taira Takunori; c/o INTER-UNIVERSITY RESEARCH IN Bhandari Rakesh
Original assignee: KEK HIGH ENERGY ACCELERATOR; Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Current assignee: KEK HIGH ENERGY ACCELERATOR; Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2015-04-30
Also published as: CN104577696A; JP2015084390A; US20150117475A1; JP6281935B2; US9203210B2; CN104577696B

Abstract

Wenn ein Erregungslicht in ein Lasermedium eintritt, das einen dotierten (ein Seltenerdelement enthaltenden) YAG aufweist, wird die Umgebung der Erregungslichteintrittsfläche lokal erwärmt, was eine Doppelbrechung erzeugt, die eine Verschlechterung einer linearen Polarisation eines emittierten Laserlichts bewirkt. Um dies zu vermeiden, ist es notwendig, ein gepulstes Erregungslicht zu verwenden und die Wiederholrate der Pulse zu verringern. Bei der offenbarten Vorrichtung ist ein nicht dotierter YAG an eine Erregungslichteintrittsfläche des Lasermediums, das aus dotiertem YAG besteht, gebondet. Durch Anordnen der <100>-Achse des YAG, so dass sie sich entlang der optischen Achse des Laseroszillatorsystems erstreckt, kann ein linear polarisiertes gepulstes Laserlicht erhalten werden.

Description

Die vorliegende Anmeldung offenbart eine gütegeschaltete Laservorrichtung (auch als Q-Switch-Laservorrichtung bekannt), die bei einer optischen Erregung ein gepulstes Laserlicht emittiert. Genauer gesagt offenbart die Anmeldung eine Q-Switch-Laservorrichtung, die einen mit einem Seltenerdelement dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall als ein Lasermedium verwendet. Der Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall wird hierin als YAG bezeichnet.
Eine Laservorrichtung mit einem Oszillatorsystem, das einen dotierten YAG aufweist, ist bekannt. Wenn ein Erregungslicht in das Oszillatorsystem eingebracht wird, sendet das Oszillatorsystem Laserlicht aus. Der ein Seltenerdelement enthaltende Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall wird als dotierter YAG bezeichnet. Es ist bekannt, unter Verwendung eines Güteschalters (Q-Switch) in dem Oszillatorsystem gepulstes Laserlicht zu erzeugen. Eine gütegeschaltete Laservorrichtung, die einen dotierten YAG als das Lasermedium verwendet, ist in dem Artikel „High Average Power Diode End-Pumped Composite Nd:YAG Laser Passively Q-switched by Cr4+:YAG Saturable Absorber, Nicolaie Pavel, Jiro Saikawa, Sunao Kurimura and Takunori Taira, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40, (2001) pp 1253–1259" offenbart.
Es besteht ein Bedarf an einer Erhöhung einer Spitzenleistung eines Pulslasers. Dazu erscheint es aussichtsreich, die räumliche Dichte des in das Lasermedium eintretenden Erregungslichts zu erhöhen. Das bedeutet, dass man erwartet, dass die Spitzenleistung eines gepulsten Lasers zunimmt, wenn das Erregungslicht für einen Eintritt in das Lasermedium fokussiert wird. Tatsächlich wird die Laserleistung für einen Dauerstrichlaser durch Fokussieren des Erregungslichts erhöht.
Im Falle einer gütegeschalteten Laservorrichtung wird jedoch durch Erhöhen des Ausmaßes einer Fokussierung des Erregungslichts lediglich die Wiederholrate des Pulslasers erhöht, und nicht die Spitzenleistung. Eine Lösung für dieses Problem ist in der JP-A-2003-158325 und dem US-Patent Nr. 6950449 offenbart. Dabei wird nicht die Dichte des Erregungslichts erhöht, sondern der Strahldurchmesser des in das Lasermedium eintretenden Erregungslichts vergrößert. Das bedeutet, dass die gesamte Populationsinversion, die zu einem Öffnungszeitpunkt des optischen Schalters gespeichert ist, erhöht wird. Genauer gesagt wird das Erregungslicht vor einem Eintreten in das Lasermedium nicht fokussiert, sondern es wird die Strahlfläche des Erregungslichts vergrößert. Der vergrößerte Strahldurchmesser erhöht die gesamte Populationsinversion, was wiederum die Ausgangsenergie des von dem Q-Switch-Laser ausgesandten gepulsten Laserlichts erhöht. Das heißt, die Spitzenleistung des gepulsten Laserlichts wird erhöht.
Wenn das Erregungslicht in das Lasermedium eintritt, wird das Lasermedium aufgrund eines Quantendefekts erwärmt. Genauer gesagt wird das Lasermedium in dem Bereich einer Einstrahlung des Erregungslichts und in der Nachbarschaft dieses Bereichs auf der Erregungslichteintrittsfläche lokal erwärmt. Das lokale erwärmte Lasermedium bewirkt eine lokale thermische Ausdehnung des Lasermediums, eine Verformung der Erregungslichteintrittsfläche und eine nachteilige Wirkung in Bezug auf die Laseroszillation (im Folgenden als „thermisches Problem” bezeichnet).
Gemäß der JP-A-2003-158325 und dem US-Patent Nr. 6950449 , bei denen die Strahlfläche des in das Lasermedium eintretenden Erregungslichts vergrößert wird (im Folgenden als „Erhöhen eines Erregungsvolumens” bezeichnet), wird die Erregungslichtleistung pro Einheitsfläche auf der Erregungslichteintrittsfläche des Lasermediums verringert, was zu einer Verringerung des Heizwerts pro Einheitsfläche des Lasermediums führt.
Die Verformung auf der Erregungslichteintrittsfläche kann durch Platzieren einer für das Erregungslicht transparenten festen Platte, die an die Erregungslichteintrittsfläche des Lasermediums gebondet wird, unterdrückt werden (im Folgenden als „Endkappentechnik” bezeichnet). Die Endkappentechnik ist ebenfalls von Vorteil bei der Lösung des thermischen Problems.
Als das die gütegeschaltete Laservorrichtung erregende Erregungslicht kann entweder Dauerlicht oder gepulstes Licht verwendet werden. Unter Verwendung von gepulstem Licht als das Erregungslicht wird die über die Zeit gemittelte Leistung des in die Erregungslichteintrittsfläche des Lasermediums eintretenden Erregungslichts verringert, wodurch das thermische Problem verringert wird. Dabei bewirkt das gepulste Erregungslicht momentan eine starke Erregung, was die Populationsinversion erhöhen kann. Wenn eine Erregung mit einem gepulsten Licht mit einer niedrigeren Wiederholrate durchgeführt wird, wird die über die Zeit gemittelte Leistung des Erregungslichts verringert, was die Charakteristik der gütegeschalteten Laservorrichtung verbessert, während das thermische Problem erheblich verringert wird (im Folgenden als „Erregung mit niedriger Wiederholrate” bezeichnet).
In der JP2003-A-158325 und dem US-Patent Nr. 6950449 wird das thermische Problem durch Kombinieren der Erhöhung des Erregungsvolumens, der Endkappentechnik und der Erregung mit niedriger Wiederholrate unterdrückt. Die Offenbarung „Intrinsic reduction of the depolarization loss in solid-state lasers by use of a (110)-cut Y3A15O12 crystal, Ichiro Shoji and Takunori Taira, Applied Physics letters. Vol. 80 Number 17, (2002) pp 3048–3050" und die JP3585891 werden im Folgenden beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die JP2003-A-158325 und das US-Patent Nr. 6950449 , die die Erhöhung des Erregungsvolumens, die Endkappentechnik und die Erregung mit niedriger Wiederholrate kombinieren, sind im Hinblick auf die Erhöhung der Spitzenleistung des Pulslasers bei einer Unterdrückung des thermischen Problems sehr leistungsfähig, es besteht jedoch das Problem, dass die Wiederholrate des Erregungslichts erniedrigt werden muss (genauer gesagt sollte sie etwa 100 Hz oder weniger betragen).
Derzeit wird eine Massenbildgebungsvorrichtung entwickelt, um eine Messung der Verteilung von Stoffen in Partikeln wie PM2.5 zu ermöglichen. Solch ein Analysegerät erfordert beispielsweise einen Pulslaser mit einer Wiederholrate von etwa 1 kHz. Da die in der JP2003-A-158325 und dem US-Patent Nr. 6950449 offenbarte Technik die Erregung mit niedriger Wiederholrate verwendet, kann damit dieses Ziel nicht erreicht werden.
Bei der in der JP2003-A-158325 und dem US-Patent Nr. 6950449 offenbarten Technik wurde die Wiederholrate des Erregungslichts bis auf etwa 1 kHz erhöht. Dabei hat sich gezeigt, dass die Erhöhung des Erregungsvolumens und die Endkappentechnik das thermische Problem effektiv beseitigen konnten, ohne dass eine offensichtlich Verschlechterung der Spitzenleistung des Pulslasers auftrat, auch wenn die Wiederholrate des Erregungslichts bis auf etwa 1 kHz erhöht wurde. Ein Laser, dessen Wellenlänge durch Verwenden eines Wellenlängenwandlers umgewandelt wurde, zeigte jedoch eine drastische Verschlechterung der Spitzenleistung des Pulslasers nach der Umwandlung. Zum Aussenden des wellenlängengewandelten gepulsten Laserlichts müssen die Erhöhung des Erregungsvolumens, die Endkappentechnik und die Erregung mit niedriger Wiederholrate gemeinsam verwendet werden, und wenn die Erregung mit niedriger Wiederholrate nicht verwendet wird, verschlechtert sich die Effizienz einer Wellenlängenumwandlung extrem. Um zu ermöglichen, dass eine gütegeschaltete Laservorrichtung mit einem YAG ein gepulstes Laserlicht für eine Wellenlängenumwandlung aussenden kann, sollte daher die Wiederholrate so gesteuert werden, dass sie etwa 100 Hz oder weniger beträgt.
Diese Anmeldung offenbart eine Technik, bei der ein gepulstes Laserlicht für eine Wellenlängenumwandlung keine Erregung mit niedriger Wiederholrate benötigt. Wenn das gepulste Laserlicht linear polarisiert ist, kann die Spitzenleistung des Pulslasers nach einer Wellenlängenumwandlung auf einem hohen Niveau gehalten werden. Hierin ist eine Technik zum Aussenden von gepulstem, linear polarisiertem Laserlicht direkt von dem YAG offenbart, bei der keine Erregung mit niedriger Wiederholrate erforderlich ist.
Nach Weglassen der Erregung mit niedriger Wiederholrate wurde ein bestimmtes Niveau einer Pulslaserintensität gewährleistet, jedoch wurde das Ausmaß einer linearen Polarisation des gepulsten Laserlichts verschlechtert, und es wurde untersucht, worauf dies zurückzuführen war. Da ein bestimmtes Niveau einer Intensität gewährleistet war, wurde davon ausgegangen, dass das thermische Problem unterdrückt war. Dennoch war die Ursache der Verschlechterung der linearen Polarisation weiterhin unbekannt. Als Ergebnis der Untersuchung wurde gezeigt, dass die Erhöhung des Erregungsvolumens und die Endkappentechnik das thermische Problem in dem Bereich entlang der optischen Achse des Lasermediums unterdrücken können und ein bestimmtes Niveau einer Pulslaserintensität gewährleisten, auch wenn die Erregung mit niedriger Wiederholrate nicht verwendet wird. Es wurde jedoch ebenfalls gezeigt, dass ein Ausmaß einer linearen Polarisation des Laserlichts aufgrund einer von einem Bereich einer lokalen Erwärmung, der in der Verbindungsfläche zum Bonden des Lasermediums und der Endkappe ausgebildet wird, erzeugten Doppelbrechung verschlechtert wurde. Genauer gesagt entsteht eine Spannung zwischen dem dotierten YAG und dem nicht dotierten YAG, da der dotierte YAG aufgrund des von der Erregung ausgelösten Quantendefekts Wärme erzeugt und sich ausdehnt, während der nicht dotierte YAG selbst keine Wärme erzeugt. Wenn das Bonden stärker auf einer atomaren Ebene stattfindet, wird eine stärkere Spannung in der Grenzfläche erzeugt. Wenn andererseits kein enges Bonden an der Grenzfläche vorliegt, werden die Spannungen verringert. In diesem Fall verschlechtert sich jedoch der Wärmeabführeffekt des nicht dotierten YAG.
Ausgehend davon wurde die Idee entwickelt, dass im Falle eines Vorliegens einer neuen kristallographischen Achse, die eine geringere Verschlechterung einer Polarisation aufgrund von lokal erzeugten Spannungen bewirkt, obwohl eine starke Bindung vorhanden ist, diese Probleme unmittelbar gelöst werden können. Demzufolge wurde herausgefunden, dass die Verschlechterung des Laserlichts in Bezug auf eine lineare Polarisation unterdrückt wurde, wenn der YAG in der Richtung einer <100>-Achse, die sich entlang der optischen Achse des Oszillatorsystems der Laservorrichtung erstreckt, angeordnet wird. Wenn sich die <100>-Achse des YAG entlang der optischen Achse des Oszillatorsystems der Laservorrichtung erstreckt, wurde die Verschlechterung der linearen Polarisation des Laserlichts unterdrückt.
Die hierin offenbarte Q-Switch-Laservorrichtung weist eine Endkappe, ein Lasermedium und einen Güteschalter (Q-Switch) auf, die in dieser Reihenfolge auf einer geraden Linie (d. h. auf der optischen Achse der Laservorrichtung) angeordnet sind. Die Endkappe weist einen nicht dotierten YAG auf, während das Lasermedium einen dotierten YAG aufweist. Der YAG, der die Endkappe bildet, und der YAG, der das Lasermedium bildet, sind in so angeordnet, dass sich die Richtung der <100>-Achse derselben entlang der optischen Achse der Laservorrichtung erstreckt. Der YAG, der die Endkappe bildet, und der YAG, der das Lasermedium bildet, sind zusammengebondet.
Für gewöhnlich ist der YAG so angeordnet, dass sich die <111>-Achse entlang der optischen Achse der Laservorrichtung erstreckt, da ein stabartiger Kristall, der sich entlang der <111>-Achse erstreckt, ohne Weiteres erhalten werden kann, da der YAG entlang der <111>-Achse wächst. In dem Artikel „High Average Power Diode End-Pumped Composite Nd:YAG Laser Passively Q-switched by Cr4+:YAG Saturable Absorber, Nicolaie Pavel, Jiro Saikawa, Sunao Kurimura and Takunori Taira, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40, (2001) pp 1253–1259", der JP2003-A-158325 und dem US-Patent Nr. 6950449 ist der YAG so angeordnet, dass sich die <111>-Achse entlang der optischen Achse erstreckt. Wenn die Erregungslichteintrittsfläche des stabartigen dotierten YAG, der sich in der Richtung der <111>-Achse erstreckt, mit dem nicht dotierten YAG gebondet wird, so dass die Kristallachsen miteinander ausgerichtet sind, kann durch den Endkappeneffekt die thermische Verformung auf der Erregungslichteintrittsfläche verhindert werden. In Verbindung mit der Erhöhung des Erregungsvolumens kann ein gepulstes Laserlicht mit einer hohen Spitzenleistung ausgesandt werden, auch wenn nicht gleichzeitig die Erregung mit niedriger Wiederholrate verwendet wird. Ohne die Erregung mit niedriger Wiederholrate verschlechtert sich jedoch die lineare Polarisation des gepulsten Laserlichts.
Auf der anderen Seite kann die lineare Polarisation beibehalten werden, ohne gleichzeitig die Erregung mit niedriger Wiederholrate zu verwenden, wenn der YAG so angeordnet ist, dass sich die <100>-Achse entlang der optischen Achse der Laservorrichtung erstreckt. Dasselbe kann erreicht werden, wenn der YAG so angeordnet ist, dass sich die <110>-Achse entlang der optischen Achse der Laservorrichtung erstreckt. Gemäß der hierein offenbarten Laservorrichtung kann ein gepulstes Laserlicht mit einer hohen Spitzenleistung ausgesandt werden, während die lineare Polarisation beibehalten wird. Es kann ein Laser erhalten werden, der eine hohe Spitzenleistung nach einer Wellenlängenumwandlung erzielt.
Eine Technik zum Anordnen eines YAG, der für das Lasermedium verwendet wird, in der Art, das sich die <100>-Achse desselben entlang der optischen Achse des Oszillatorsystems erstreckt, ist in dem Artikel „Intrinsic reduction of the depolarization loss in solid-state lasers by use of a (110)-cut Y3A15O12 crystal, Ichiro Shoji and Takunori Taira, Applied Physics letters. Vol. 80 Number 17, (2002) pp 3048–3050" und in der JP3585891 offenbart. Die Technik betrifft das Aussenden eines Dauerstrichlaserlichts, bei dem der Bereich entlang der optischen Achse des YAG, der als das Lasermedium verwendet wird, auf der gesamten Länge des Lasermediums erwärmt wird. Es wird berichtet, dass die lineare Polarisation durch Anordnen des YAG in der Richtung, in der sich die <100>-Achse entlang der optischen Achse erstreckt, beibehalten werden kann, wenn der Bereich entlang der optischen Achse des Lasermediums auf der gesamten Länge erwärmt wird. Die hierin offenbarte Technik hat zwar das „Anordnen der <100>-Achse und der optischen Achse, so dass sie parallel sind” damit gemeinsam, der Grund für die Verschlechterung der linearen Polarisation ist jedoch ein anderer, weshalb es schwierig ist, das hierin offenbarte Konzept aus dem Stand der Technik abzuleiten. Selbstverständlich sind die Herangehensweisen in Bezug auf ein Phänomen, das in dem Bereich, der sich entlang der optischen Achse des Lasermediums erstreckt, auftritt, und ein Phänomen, das auf der Eintrittsfläche (der Bonding-Grenzfläche zwischen einer Endkappe aus nicht dotiertem YAG und einem Lasermedium aus dotiertem YAG) des Erregungslichts auftritt, unterschiedlich. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben den Artikel „Intrinsic reduction of the depolarization loss in solid-state lasers by use of a (110)-cut Y3A15O12 crystal, Ichiro Shoji and Takunori Taira, Applied Physics letters. Vol. 80 Number 17, (2002) pp 3048–3050" und die JP3585891 publiziert. Es gibt jedoch Unterschiede in Bezug auf die Energie des eintretenden Erregungslichts, das Ausmaß einer Erwärmung des Lasermediums und den Bereich einer Erwärmung des Lasermediums zwischen der Dauerstrichlaseroszillatorvorrichtung und der Pulslaseroszillatorvorrichtung. Bisher wurde davon ausgegangen, dass die in den oben genannten Dokumenten beschriebene Dauerstrichlasertechnik nicht auch in der Q-Switch-Lasertechnik angewendet werden kann.
Eine hierin offenbarte Laservorrichtung kann gepulstes Laserlicht aussenden, das ein gewünschtes Ausmaß einer linearen Polarisation und eine hohe Spitzenleistung auch nach einer Wellenlängenumwandlung liefert, ohne dass eine Erregung mit niedriger Wiederholrate verwendet wird. Daher wird es möglich, einen Pulslaser (einen Pulslaser mit hoher Wiederholrate und linearer Polarisation) zu erhalten, der zum Realisieren einer Massenbildgebungsvorrichtung der nächsten Generation benötigt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch einen beispielhaften Aufbau einer Q-Switch-Laservorrichtung.
2 zeigt die Beziehung zwischen der Erregungslichtwiederholrate und der Pulslaserenergie.
3 zeigt die Beziehung zwischen der Erregungslichtwiederholrate und dem Ausmaß einer linearen Polarisation des Pulslasers.
4 zeigt schematisch einen anderen beispielhaften Aufbau einer Q-Switch-Laservorrichtung.
5 zeigt schematisch einen anderen beispielhaften Aufbau einer Q-Switch-Laservorrichtung.
6 zeigt schematisch einen anderen beispielhaften Aufbau einer Q-Switch-Laservorrichtung.
7 zeigt schematisch einen anderen beispielhaften Aufbau einer Q-Switch-Laservorrichtung.
8 zeigt schematisch einen anderen beispielhaften Aufbau einer Q-Switch-Laservorrichtung.
9 zeigt schematisch einen anderen beispielhaften Aufbau einer Q-Switch-Laservorrichtung.
10 zeigt schematisch einen anderen beispielhaften Aufbau einer Q-Switch-Laservorrichtung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden sind einige Merkmale der beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen angegeben:

(Merkmal 1) Ein YAG, der Nd enthält, wird für das Lasermedium verwendet.
(Merkmal 2) Ein nicht dotierter (kein Seltenerdelement enthaltender) YAG wird für die Endkappe verwendet.
(Merkmal 3) Ein YAG, der Cr⁴⁺ enthält, wird für den Q-Switch verwendet. Der Q-Switch wirkt als ein passiver Q-Switch zur Verwendung eines sättigbaren Absorbers.
(Merkmal 4) Die Wellenlänge wird durch einen LBO-Kristall von 1064 nm zu 532 nm umgewandelt.
(Merkmal 5) Die Wellenlänge wird durch einen BBO-Kristall von 532 nm zu 266 nm umgewandelt.

In 1 stellt das Bezugszeichen 2 eine Halbleiterlaservorrichtung dar, die ein Erregungslicht 4 aussendet. Im Experiment wurde ein gepulstes Erregungslicht 4a durch Anlegen eines gepulsten Stroms 2a an die Halbleiterlaservorrichtung 2 erhalten. Für das Erregungslicht 4 wurde die Wellenlänge auf 808 nm, die Leistung auf 100 W und die Pulsbreite auf 120 μs eingestellt. Die Wiederholrate wurde in dem Bereich zwischen 100 Hz und 1 kHz variiert und experimentell verwendet. Das Bezugszeichen 6 stellt einen nicht dotierten (kein Seltenerdelement enthaltenden) YAG dar, der als eine Endkappe bzw. Abdeckung dient. Der YAG ist beispielsweise in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Dicke von 1 mm ausgebildet. In dem YAG 6 zeigt die <100>-Achse in Richtung der Dicke der Scheibe.
Das Bezugszeichen 8 stellt einen YAG dar, der 1,1 at.% Nd enthält und als ein Lasermedium dient. Der YAG 8 ist beispielsweise in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Dicke von 4 mm ausgebildet. In dem YAG 8 zeigt die <100>-Achse in Richtung der Dicke der Scheibe.
Der YAG 6 ist mit einer Endfläche des Nd:YAG 8 auf der Seite der Halbleiterlaservorrichtung 2 verbunden, das heißt, an diese gebondet. Der nicht dotierte YAG 6 ist für ein Erregungslicht 4 mit einer Wellenlänge von 808 nm transparent. Das Erregungslicht 4 tritt in die Endfläche des Nd:YAG 8 auf der Seite der Halbleiterlaservorrichtung 2 ein. Die Erhöhung des Erregungsvolumens wird für das Erregungslicht 4 angewendet.
Das Bezugszeichen 10 stellt einen Cr⁴⁺ enthaltenden YAG mit einer anfänglichen Transmission von 40% dar. Der Cr⁴⁺:YAG 10 ist ein sättigbarer Absorber und wirkt als ein passiver Güteschalter.
Das Bezugszeichen 12 stellt einen Ausgabekoppler dar, der einen darauf ausgebildeten spiegelnden Oberflächenfilm aufweist. Der YAG 6 weist ebenfalls einen darauf ausgebildeten spiegelnden Oberflächenfilm auf. Die spiegelnden Oberflächenfilme des Ausgangskopplers 12 und des YAG 6 bilden ein Oszillatorsystem, in dem eine Endkappe (YAG 6), ein Lasermedium (Nd:YAG 8) und ein passiver Q-Switch (Cr⁴⁺:YAG 10) angeordnet sind. Die Endkappe 6, das Lasermedium 8 und der passive Q-Schalter 10 sind auf einer geraden Linie senkrecht zu den zwei spiegelnden Oberflächenfilmen angeordnet. Der YAG 6 und der Nd:YAG 8 sind so angeordnet, dass sich die <100>-Achse derselben entlang der geraden Linie erstreckt. Für den Cr⁴⁺:YAG 10 ist die Beziehung zwischen der kristallographischen Achse und der optischen Achse nicht weiter eingeschränkt. Beispielsweise kann die <111>-Achse parallel zu der optischen Achse sein, oder die <100>-Achse oder die <110>-Achse kann parallel zu der optischen Achse sein.
Wenn ein Erregungslicht 4 in die vorher beschriebene Laservorrichtung eingetreten ist, wird von dem Ausgangskoppler 12 ein gepulstes Laserlicht 14 ausgegeben. Die Wellenlänge des gepulsten Laserlichts 14 ist 1064 nm, und die Wiederholrate ist äquivalent zu der des Erregungslichts 4. Die Pulsbreite (Halbwertsbreite) des gepulsten Laserlichts 14 betrug 600 ps.
2 zeigt die Beziehung zwischen einer Erregungslichtwiederholrate (die äquivalent zu der Wiederholrate des gepulsten Laserlichts ist) und eine Pulslaserenergie (mJ). Die Energie des Pulslasers wird nicht wesentlich verringert, auch wenn die Erregungslichtwiederholrate erhöht wird. Selbst wenn die Erregung mit niedriger Wiederholrate aufgegeben wird und eine Erregung mit 1 kHz vorgenommen wird, wird eine Pulsenergie von etwa 1,42 mJ (2,4 MW für die Spitzenleistung) erhalten.
3 zeigt die Beziehung zwischen einer Erregungslichtwiederholrate und dem Ausmaß einer linearen Polarisation des gepulsten Laserlichts 14. Die vertikale Achse gibt nach oben eine zunehmende Verschlechterung der linearen Polarisation an. Die Kurve 32 zeigt die Beziehung, wenn die <111>-Achse und die optische Achse parallel zueinander angeordnet sind. Sie zeigt, dass das gepulste Laserlicht 14 hinsichtlich der linearen Polarisation verschlechtert wird, wenn die Erregungslichtwiederholrate erhöht wird. Auf der anderen Seite zeigt die Kurve 34 die Beziehung, wenn die <100>-Achse und die optische Achse parallel zueinander angeordnet sind. Sie zeigt, dass die lineare Polarisation des gepulsten Laserlichts 14 beibehalten wird, selbst wenn die Erregungslichtwiederholrate erhöht wird. Wenn die <100>-Achse und die optische Achse parallel zueinander angeordnet sind, kann ein Pulslaser erhalten werden, der ein Licht mit hoher Intensität nach einer Wellenlängenumwandlung liefert. Auch wenn dies nicht gezeigt ist, kann wenn die <110>-Achse des YAG und die optische Achse parallel zueinander angeordnet sind ebenfalls eine Kurve erhalten werden, die der Kurve 34 ähnlich ist. Selbst wenn die <110>-Achse des YAG und die optische Achse parallel zueinander angeordnet sind, kann ein Pulslaser erhalten werden, der ein Licht mit einer hohen Intensität nach einer Wellenlängenwandlung liefert.
10 zeigt eine Vorrichtung, bei der ein Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1064 nm, das von der Q-Switch-Laservorrichtung ausgegeben wird, durch einen LBO-Kristall in ein Laserlicht mit einer Wellenlänge von 532 nm umgewandelt wird und das Laserlicht mit der Wellenlänge von 532 nm durch einen BBO-Kristall in ein Laserlicht mit einer Wellenlänge von 266 nm umgewandelt wird. Wie in 3 gezeigt, wird, wenn die <100>-Achse oder die <110>-Achse des YAG parallel zu der optischen Achse angeordnet ist, eine hohe lineare Polarisation erhalten, so dass ein Laserlicht mit einer hohen Intensität nach einer Wellenlängenumwandlung erhalten wird, wobei die Spitzenleistung für das Laserlicht mit der Wellenlänge von 532 nm, das mittels des LBO-Kristalls erhalten wurde, 1,1 MW betrug, und die Spitzenleistung für das Laserlicht mit der Wellenlänge von 266 nm, das mittels des BBO-Kristalls erhalten wurde, 0,511 MW betrug.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben angegebenen Beispiele beschränkt, und andere Variationen und Modifikationen können vorgenommen werden, die ebenfalls unter den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen sollen.
Bei dem oben angegebenen Beispiel waren die Endkappe, das Lasermedium und der Q-Switch in dieser Reihenfolge angeordnet, sie können jedoch beispielsweise ebenfalls in der Reihenfolge Endkappe, Lasermedium, Endkappe, Q-Switch oder Endkappe, Lasermedium, Endkappe, Q-Switch, Endkappe angeordnet sein. Die 4 bis 9 zeigen schematisch einen Aufbau andere beispielhafter Q-Switch-Laservorrichtungen. Dabei wird ein passiver Q-Switch 10 verwendet, es kann jedoch auch ein extern steuerbarer Q-Switch verwendet werden. Wenngleich Nd als ein Seltenerdelement verwendet wurde, das dem Lasermedium zugesetzt ist, kann ein anderes Seltenerdelement als Nd verwendet werden.
Die hierein beschriebenen Komponenten weisen unabhängig voneinander oder gemeinsam einen technischen Nutzen auf, der nicht auf die in den Ansprüchen angegebenen Kombinationen beschränkt ist. Die hierin beschriebenen Komponenten werden mehrere Aufgaben gleichzeitig lösen und weisen bereits dann einen technischen Nutzen auf, wenn sie eine dieser Aufgaben lösen.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2003-158325 A [0004, 0006, 0011]
US 6950449 [0004, 0006, 0009, 0010, 0011, 0012, 0017]
JP 158325 A [0009, 0010, 0012, 0017]
JP 3585891 [0009, 0019, 0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„High Average Power Diode End-Pumped Composite Nd:YAG Laser Passively Q-switched by Cr4+:YAG Saturable Absorber, Nicolaie Pavel, Jiro Saikawa, Sunao Kurimura and Takunori Taira, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40, (2001) pp 1253–1259” [0002]
„Intrinsic reduction of the depolarization loss in solid-state lasers by use of a (110)-cut Y3A15O12 crystal, Ichiro Shoji and Takunori Taira, Applied Physics letters. Vol. 80 Number 17, (2002) pp 3048–3050” [0009]
„High Average Power Diode End-Pumped Composite Nd:YAG Laser Passively Q-switched by Cr4+:YAG Saturable Absorber, Nicolaie Pavel, Jiro Saikawa, Sunao Kurimura and Takunori Taira, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40, (2001) pp 1253–1259” [0017]
„Intrinsic reduction of the depolarization loss in solid-state lasers by use of a (110)-cut Y3A15O12 crystal, Ichiro Shoji and Takunori Taira, Applied Physics letters. Vol. 80 Number 17, (2002) pp 3048–3050” [0019]
„Intrinsic reduction of the depolarization loss in solid-state lasers by use of a (110)-cut Y3A15O12 crystal, Ichiro Shoji and Takunori Taira, Applied Physics letters. Vol. 80 Number 17, (2002) pp 3048–3050” [0019]

Claims

Q-Switch-Laservorrichtung mit: einer Endkappe (6), die einen nicht mit einem Seltenerdelement dotierten Yttrium-Aluminium-Granat-Kristall (YAG) aufweist; einem Lasermedium (8), das einen mit einem Seltenerdelement dotierten YAG aufweist; und einem Q-Switch (10), bei der die Endkappe (6), das Lasermedium (8) und der Q-Switch (10) in dieser Reihenfolge auf einer geraden Linie angeordnet sind, sich eine <100>-Achse oder eine <110>-Achse des nicht dotierten YAG der Endkappe (6) und des dotierten YAG des Lasermediums (8) entlang der geraden Linie erstrecken und der nicht dotierte YAG der Endkappe (6) und der dotierte YAG des Lasermediums (8) zusammengebondet sind.